超燃发动机(飞行器空气动力学报告)

超燃冲压发动机概况

——飞行器空气动力学报告2015.12.08

目录1.研究背景与简介2.超燃发动机的发展历史3.X-43A与X-51A的简介4.展望高超声速飞行器指的是飞行速度大于5马赫，在大气层内和跨大气层飞行的飞行器。目前主要研究的主要有三种发动机:涡轮喷气发动机冲压发动机火箭发动机1.研究背景与简介冲压发动机的原理无非就是空气以超音速进入发动机燃烧室与燃料混合点燃，再从喷嘴中喷出从而获得推力。注：1.亚音速与超声速燃烧的区分是根据燃烧室中的气流速度。2.后面提到的双模即是可以在一次飞行中实现二者的转换。因为留给空气压缩，与燃料在燃烧室混合，点火，燃烧的时间只有毫秒量级，这样也就使得发动机的控制极其困难。1.研究背景与简介—原理在超燃发动机出现之前，50年代的时候，涡流喷气式发动机与亚音速燃烧发动机已经发明成功。1.研究背景与简介—必要性1.进口温度因受涡轮叶片热强度的限制而不能太高。2.飞行速度接近马赫数时,速度冲压已经达到相当高的气流压强,涡轮压气机系统就已经多余了。飞行马赫数在3~5范围内,亚燃冲压具有最好的性能。但是当飞行马赫数继续提高时,亚燃冲压发动机性能迅速下降。1958年9月，在马德里举行了第一届国际航空科学会议，Ferri简略地概述了并证明在Ma=3.0的超声速气流中实现了稳定燃烧，没有强激波。20世纪60年代通用应用物理实验室(1)超燃冲压发动机增量飞行试验飞行器(IFTV)1965年开始；(2)1964—1968年,低速固定几何尺寸超燃冲压发动机,无可变几何尺寸,但是具有随飞行速度而变化的空气动力压缩比。1957年4月，Shchetinkov申请了超声速燃烧冲压发动机专利。①氢-空气系统的化学过程和现象②紊流混合问题并确定了使热释放与燃烧形状相匹配以免产生强激波的问题③对固定几何尺寸超燃冲压发动机性能最大的问题进行了研究,④热压缩的效应。1946年,Roy就提出了借助于驻波直接将热量加入超声速流中的可能性。2.超燃发动机的发展历史—前期历史1991年11月27日，苏联“冷”飞行器首次飞行试验取得成功。SA-5地对空导弹冲压发动机日期最大飞行速度（Ma）工作时间（s）1991年11月27日5.627.51992年11月27日5.3541.51995年3月1日5.8-1997年8月1日6.2-1998年2月12日6.577注：冲压发动机是跟随导弹一起发射的。2.超燃发动机的发展历史—首次突破（苏联）在俄罗斯，飞行速度更快的有：“IGLA”/GLL-VK（14马赫）GLL-31（9马赫）GLL-AP-02（6马赫）GLL-31与IGLA”/GLL-VK都采用乘波体布局。乘波体飞行时其前缘平面与激波的上表面重合，就象骑在激波的波面上，依靠激波的压力产生升力，所以叫乘波体(Waverider)。2.超燃发动机的发展历史—俄罗斯项目计划起止年份主办机构主要研究内容SCRAM1962-1978NAVYJHU/APL论证使用可贮存燃料的小型舰载导弹采用模块化Busemann进气道NASP1986-1995DARPA研制X-30实验型单级入轨空天飞机研制工作范围Ma=4~15的氢燃料超燃冲压发动机HyTech/Hyset1996-USAFP&W研制Ma=4~8，应用于高超声速巡航导弹的液体碳氢燃料双模态冲压发动机HyFly1995-NAVYDARPA通过Ma=6、巡航高度27Km的轴对称导弹飞行试验验证谈情超燃冲压发动机Hyper-X1996-NASA验证一体化设计方法获得双模态冲压发动机操作特性与飞行性能设计思想基于1942年德国空气动力学家Busemann提出的内锥形流概念1.低马赫数来流条件下不能自起动

2.长度较长

是一种未来的飞机，像普通飞机一样起飞，在30～100公里高空的飞行速度为12～25倍音速，而且可以直接加速进入地球轨道，成为航天飞行器，返回大气层后，像飞机一样在机场着陆。2.超燃发动机的发展历史—美国项目计划起止年份主办机构主要研究内容SCRAM1962-1978NAVYJHU/APL论证使用可贮存燃料的小型舰载导弹采用模块化Busemann进气道NASP1986-1995DARPA研制X-30实验型单级入轨空天飞机研制工作范围Ma=4~15的氢燃料超燃冲压发动机HyTech/Hyset1996-USAFP&W研制Ma=4~8，应用于高超声速巡航导弹的液体碳氢燃料双模态冲压发动机HyFly1995-NAVYDARPA通过Ma=6、巡航高度27Km的轴对称导弹飞行试验验证碳氢超燃冲压发动机Hyper-X1996-NASA验证一体化设计方法获得双模态冲压发动机操作特性与飞行性能美国60年代后的计划的情况表氢的燃烧性能非常好，理论上可达到的最大飞行速度为25马赫，然而不便贮存，难以军用。因此，又研制了基于碳氢燃料的超燃冲压发动机，性能差一些，理论上最大速度只能达到8马赫，比冲也比液氢低。

2.超燃发动机的发展历史—美国3.X-43A与X-51A的简介2004年3月27日，X-43A实现了超燃冲压发动机成功点火，并推动飞行器加速的技术，发动机工作时间11s，最高速度达到6.83马赫。B-52挂载飞马座固体火箭飞行到28500米飞马座火箭开始助推加速2004年11月16日，X-43A再次飞行试验成功，发动机持续工作10~12s，最大速度为9.8马赫。被称为“自1903年莱特兄弟首次飞行以来航空技术的最大突破”，3.X-43A与X-51A的简介2010年5月26日，X-51A首次飞行试验取得成功，速度达到4.88马赫，超燃冲压发动机工作时间140秒。2013年5月1日，X-51A第四次飞行试验取得成功，最大速度达到5.1马赫，飞行高度18.3km，超燃冲压发动机工作时间达到210秒，飞行距离426km，创造了高超声速飞行器的飞行距离纪录。空射试验中的X-51A4.展望众多的试验已经表明，在超高声速的环境下，超燃冲压发动机具有很高的性能。这表明未来的超高速飞行器的发动机设计中，超燃发动机将会是最实际的一种考虑。虽然超燃发动机也有无法自启动的缺点，但这